(57)【要約】【課題】複数のリンクで構成された脚で移動する歩行ロボットが把持した物体の振動を減少できるようにする。【解決手段】複数のリンクで構成された脚部１１と、複数のリンクで構成された腕部１２と、脚部１１および腕部１２が取り付けられた体幹部１４と、脚部１１、腕部１２、体幹部１４の各関節に取り付けられたアクチュエータを駆動制御する制御部１７を有する移動ロボットにおいて、前記移動ロボットの振動を演算によって求める振動演算部と、前記振動演算部にて求めた振動と逆位相の振動を演算する逆位相演算部とを備え、腕部１２の手先指令に前記逆位相演算部にて求めた振動を重畳させるものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のリンクで構成された移動機構部と、複数のリンクで構成された腕部と、前記移動機構部および前記腕部が取り付けられた体幹部と、前記移動機構部、前記腕部、前記体幹部の各関節に取り付けられたアクチュエータを駆動制御する制御部を有する移動ロボットにおいて、
移動ロボットの振動を演算によって求める振動演算部と、前記振動演算部にて求めた振動と逆位相の振動を演算する逆位相演算部とを備え、前記腕部の手先指令に前記逆位相演算部にて求めた振動を重畳させることを特徴とする移動ロボット。
【請求項２】
前記手先指令は、速度指令ベクトルであることを特徴とする請求項１記載の移動ロボット。
【請求項３】
前記振動演算部によって求める振動は、速度ベクトルであることを特徴とする請求項１記載の移動ロボット。
【請求項４】
前記逆位相演算部によって求める振動は、速度ベクトルであることを特徴とする請求項１記載の移動ロボット。
【請求項５】
前記逆位相演算部にて求める振動は、速度ベクトルに係数行列を乗じたものであることを特徴とする請求項1記載の移動ロボット。
【請求項６】
前記振動演算部は、移動ロボットが移動する際に発生する加速度ベクトルを検出する加速度検出部と、前記加速度検出部によって検出した加速度ベクトルを速度ベクトルに変換する状態変換部からなることを特徴とする請求項１記載の移動ロボット。
【請求項７】
前記加速度検出部は、加速度センサであることを特徴とする請求項５記載の移動ロボット。
【請求項８】
前記状態変換部は、前記加速度ベクトルを時間積分した後、定常成分を削除した前記速度ベクトルに変換することを特徴とする請求項５記載の移動ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のリンクから構成された移動機構と腕を有し、物体を搬送する移動ロボットに関する。  
【背景技術】
【０００２】
リンク機構を有した脚式歩行ロボットは、階段や凹凸のある路面でも自由に移動可能な機構であるとともに、全方向に移動可能なため前進・後退・旋回のみならず左右への並進移動も可能であるといった特徴を有している。このような人間や哺乳類の歩行形態とほぼ同等の移動性能を期待できるため、従来より歩行に関する研究開発が盛んに行われ、歩行時に脚が地面に着地する際に発生する衝撃力を緩和することで安定した歩行制御を得られるようにしたものがある。（例えば、特許文献１）
図６は従来例の制御ブロック図であり、着地時に足底部に作用する外力を検出し、それを減少する様に構成したことから、路面反力を効果的に吸収することができ、路面に凹凸があっても柔軟に着地させることができて衝撃の少ない安定した着地を構成することができる。
このように、従来の歩行ロボットは、脚の着地時にコンプライアンス制御を応用することによって衝撃を少なくし、安定した歩行制御を実現している。
【特許文献１】特許第２８１９３２３号（第７頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の歩行ロボットは、脚の着地時に発生する衝撃力すなわち高周波数の振動を緩和し、歩行安定性能を向上しているが、歩行ロボットが歩行する際に発生する前後左右の低周波数の揺動振幅を減少することができないので、腕で把持した物体を安定に運ぶことはできない。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、複数のリンクで構成された脚で移動する移動ロボットが把持した物体の揺動を著しく減少することができる移動ロボットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、複数のリンクで構成された移動機構部と、複数のリンクで構成された腕部と、前記移動機構部および前記腕部が取り付けられた体幹部と、前記移動機構部、前記腕部、前記体幹部の各関節に取り付けられたアクチュエータを駆動制御する制御部を有する移動ロボットにおいて、  移動ロボットの振動を演算によって求める振動演算部と、  前記振動演算部にて求めた振動と逆位相の振動を演算する逆位相演算部とを備え、前記腕部の手先指令に前記逆位相演算部にて求めた振動を重畳させるものである。
請求項２に記載の発明は、前記手先指令とは、速度指令ベクトルとするものである。
請求項３に記載の発明は、前記振動演算部によって求める振動は、速度ベクトルとするものである。
請求項４に記載の発明は、前記逆位相演算部によって求める振動は、速度ベクトルとするものである。
請求項５に記載の発明は、前記逆位相演算部にて求める振動は、速度ベクトルに係数ベクトルを乗じたものである。
請求項６に記載の発明は、前記振動演算部は、歩行ロボットが移動する際に発生する加速度ベクトルを検出する加速度検出部と、前記加速度検出部によって検出した加速度ベクトルを速度ベクトルに変換する状態変換部からなるものである。
請求項７に記載の発明は、前記加速度検出部は、加速度センサとするものである。
また、請求項８に記載の発明は、前記加速度ベクトルを時間積分した後、定常成分を削除した前記速度ベクトルに変換するものである。
【発明の効果】
【０００５】
請求項１乃至４に記載の発明によると、歩行によって発生する低周波数の振動とは逆位相の振動を腕の手先指令に重畳するので、腕の先端部では逆位相指令と歩行による振動が相殺されるため、ロボットが歩行していても把持した物体は地面に対して揺が少なくなる。
また、請求項５に記載の発明によると、逆位相の速度ベクトルに任意の係数ベクトルを乗じることができるため、歩行によって生じる揺動の振幅を調節することができる。
また、請求項６乃至８記載の発明によると、振動を加速度として検出し、積分した後に定常成分を削除するので、歩行によって移動する際の定常速度が腕には与えられないので、腕の可動範囲内で振動を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００７】
図１は、本発明の実施例を示す歩行ロボットの構成図である。図において、１１、１２は複数のリンクで構成された脚部および腕部、１３は腕部先端に取り付けられたハンド部であり、ロボットが搬送する物体を把持できる構造となっている。１４は脚部および腕部が取り付く体幹部、１５は体幹部の上部に取り付けられた頭部、１６は体幹部内部に取り付けられた加速度検出部であり本実施例では加速度センサを用いる。１７は、ロボットの各関節に取り付けられた図示していないアクチュエータを駆動制御したり、加速度センサ情報を取り込む制御部、１８はロボットの基準座標系であり、加速度センサの座標系と一致している。
【０００８】
図２は、本発明の実施例を示す歩行ロボットの制御ブロック図である。図において、歩行動作によって発生する加速度は、加速度検出部（加速度センサ）にて検出され、検出した加速度情報（加速度ベクトル）は積分器にて速度ベクトルに変換される。変換された速度ベクトルは、ハイパスフィルタを通すことによって定常成分が削除される。ここで、ハイパスフィルタを通す目的は、歩行によって移動する際に定常速度成分が含まれ、この定常速度成分を含んだままの速度ベクトルを手先指令に用いると腕部の可動範囲を逸脱するため、振動による速度成分のみを得るためである。また、ハイパスフィルタのカットオフ周波数は０．１Ｈｚ〜１Ｈｚ程度とするため、本発明で対象としている周波数帯は、特許文献１が対象としている着地時の衝撃によって生じる周波数よりも遥かに小さい。定常成分が削除された速度ベクトルに逆位相演算部にて負の係数行列Ｋを乗じて歩行による振動方向とは逆位相の振動速度ベクトルを生成する。ここで生成した逆位相速度ベクトルと、指令生成部にて生成した腕の手先の速度指令ベクトルを重畳させ、最終的な手先速度指令ベクトルとする。最終の手先速度ベクトルは、積分器にて積分され手先位置指定ベクトルに変換され、腕部の逆運動学計算によって各関節の角度指令ベクトルを求めることができる。
ここで、図中のＩは単位行列、ｓはラプラス演算子、Ｋは係数行列を示している。
【０００９】
次に、上記の方法によって求めた角度指令によるロボットの動作を図３および図４を用いて説明する。本発明の効果を示すために、本発明の振動抑制制御を適用していない場合（図３）と振動抑制制御を適用した場合（図４）とのロボットの動作を比較する。
【００１０】
図３は、振動抑制制御を適用しない場合、すなわち係数行列Ｋの各要素が０の場合の歩行１周期を示している。図は３Ａから３Ｉへと時間経過によるロボットの姿勢変化を順次示しており、３Ａは歩行開始前の直立した姿勢、３Ｂは右足に重心を移動している姿勢、３Ｃは右足に重心を移した後に左足を遊脚にした姿勢、３Ｄは遊脚であった左足を着地した姿勢、３Ｅは重心を右足から左足に移す途中の中立姿勢、３Ｆは左足に重心を移動している姿勢、３Ｇは左足に重心を移した後に右足を遊脚にした姿勢、３Ｈは遊脚であった左足を着地した姿勢、３Ｉは歩行完了後の直立した姿勢である。
また、図は双腕を使って物体を把持した場合であり、図に示す把持物体の中心位置が歩行動作によって歩行中心から変位を生じる（ずれる）ことを示している。
特許文献１の制御方法を適用した場合には、図３のような把持物体の歩行による振動が生じる。
【００１１】
これに対して、図４は、本発明の振動抑制制御を適用した場合、すなわち係数行列Ｋの各要素が１の場合の歩行１周期を示している。ここで、係数行列は０から１の間の数値を設定できるが、ここでは説明を容易にするため各要素を１とする。
図は４Ａから４Ｉへと時間経過によるロボットの姿勢変化を順次示しており、４Ａは歩行開始前の直立した姿勢、４Ｂは右足に重心を移動している姿勢、４Ｃは右足に重心を移した後に左足を遊脚にした姿勢、４Ｄは遊脚であった左足を着地した姿勢、４Ｅは重心を右足から左足に移す途中の中立姿勢、４Ｆは左足に重心を移動している姿勢、４Ｇは左足に重心を移した後に右足を遊脚にした姿勢、４Ｈは遊脚であった左足を着地した姿勢、４Ｉは歩行完了後の直立した姿勢である。
図４も図３と同様に双腕を使って物体を把持した場合であるが、本発明を適用すると歩行動作中においても図に示す把持物体の中心位置が歩行中心からの変位を生じず、一定の位置にあることを示している。
【００１２】
図５は、本発明の効果を実験検証するために収集した実験データである。図は、把持物体中心位置のＹ方向（図１参照）の変位を本発明の振動抑制制御を適用しない場合（図５上図）と振動抑制制御を適用した場合（図５下図、係数行列Ｋの各要素：０．５）を示している。
このように、歩行動作に由来する振動に基づき、腕がその逆位相に動作すれば、地面に対する物体の振動を著しく減少することができる。
なお、ここでは脚による歩行動作を例に説明したが、移動機構に車輪を用い、バネやダンパなどをリンク機構で構成した移動形態にも本発明は効果がある。
【００１３】
また、移動機構のリンクが変位することによって上肢が振動するような他の移動機構、例えば、移動機構に車輪を用い、バネやダンパなどをリンク機構で構成した移動形態にも本発明は適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００１４】
本発明は、複数のリンクから構成された移動機構と腕を有し、物体を搬送する移動ロボットとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例を示す歩行ロボットの構成図である。
【図２】本発明の実施例を示す歩行ロボットの制御ブロック図である。
【図３】本発明を適用しない場合のロボット動作説明図である。
【図４】本発明を適用した場合のロボット動作説明図である。
【図５】本発明の効果を示す実験データである。
【図６】従来技術の例を示す制御ブロック図である。
【符号の説明】
【００１６】
１１  脚部、１２  腕部、１３  ハンド部、１４  体幹部、１５  頭部、１６  加速度検出部、１７  制御部、１８  基準座標系
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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